上海中心城区不同土地利用类型重金属累积特征及其环境效应

上海中心城区不同土地利用类型重金属累积特征及其环境效应

0人体危害危害城市是人类活动最强烈的地区，其环境受到人类活动的严重影响。交通、生活和工业生产导致土壤和灰尘中重金属的积聚。根据研究，城市地表径流和土壤受到不同程度的重金属污染。随着城市人口的增加，土壤和地表径流的重金属可以直接通过灰尘和土壤和灰尘接触，对人体构成威胁。同时，地表径流的清理使土壤和地表径流中的重金属进入受体水体，导致地表水污染和其他环境问题。城市土壤重金属研究始于20世纪60年代.至目前为止,欧、美等发达国家对其城市土壤、灰尘重金属污染问题研究方兴未艾,国内也有相关报道(如,香港、南京、北京).但是探讨城市内部不同土地利用方式对土壤和灰尘重金属含量及其环境效应的研究仍不足.上海市处在我国改革开放前沿,近20a来土地利用/土地覆盖格局发生了前所未有的快速变化,城市一直处于高速或快速扩展阶段,在城市化进程中,自然状态的下垫面被完全人工化,如被工业、交通、商业和居住用地所代替.鉴于此,本文选取上海中心城区作为典型的研究区域,研究和分析城市不同土地利用类型中重金属元素在土壤和灰尘中的污染特征,并进一步探讨其环境效应,以期为解决城市环境重金属污染提供科学依据.1材料和方法1.1上海中心城区上海地区地势平坦,气候湿润,降水充沛,年平均降水量大部分地区在1027~1111mm,年均风速市区2.9m·s-1,郊区3.1~4.1m·s-1.全市总人口1464万,其中城市人口869万.上海中心城区经济发达、交通便利、商贸繁荣,共有黄浦(包括原黄埔和南市两区)、卢湾、徐汇、长宁、静安、普陀、闸北、虹口和杨浦等9个区组成(图1),面积共289km2.1.2样品采集与分析1.2.1商业用地和绿地根据研究区土地利用特点,本文选取5种主要土地类型:交通用地、居住用地、工业用地、商业用地和绿地.相应的,工业区选择以桃浦工业区为代表;居民用地选择城市中心区华东师大一村和武宁新村等为代表;交通用地选择中山北路和上海火车站等交通要道为代表;商业区选择淮海西路和徐家汇;绿地选择淮海公园和延安东路绿地等为代表进行布点和取样.1.2.2样品的采集与测定2004年10~12月间,从各主要土地类型典型区采取69个代表性表层(0~2cm)土壤(图1).每个土壤混合样品均取8~10个采样点组成1个混合样品.另外,同点同步收集地面灰尘样品69个,准同步采集3次降雨径流样品.土壤和灰尘样品经冷冻干燥、过100目筛后,选择人类活动源元素Cu,Zn,Pb,Cr作为测定对象.全量浸提采用HNO3-HClO4-HF消化法制样,以603型原子吸收光谱仪火焰法分别测定,各元素分析误差均<±10%.同时,为了保障测试结果的可靠性,在进行样品测试时,加入国家标准土壤标样(GSS-1)进行分析质量控制.地表径流重金属全量采用HNO3-HClO4消解后,以603型原子吸收光谱仪火焰法分别测定.2结果与讨论2.1地表石灰中zn-cr含量的相关分析表1反映了上海城市不同土地类型地表灰尘重金属含量状况.可见,5种主要土地利用类型中地表灰尘重金属含量存在显著性差异,各元素在工业、交通和居住用地中的含量普遍偏高,而在绿地中的含量普遍偏低.Cu,Cr,Zn在工业用地的含量最高,分别为278mg·kg-1,1264mg·kg-1,7593mg·kg-1,其次为交通、居住和商业用地,而在绿地中最低;Pb以交通用地(4725mg·kg-1)、居住用地(3647mg·kg-1)最高,约是商业和绿地含量的2~3倍.从标准差与平均值之比可以看出,在5类灰尘中,Pb的变异系数均较大,而Cr的变异系数均较小.地表灰尘中各种重金属含量的相关分析表明,交通、商业、居住和绿地灰尘样品中,Zn-Cr均存在显著的相关性,但在工业用地中不存在这种相关性;在交通、居住和绿地中均存在Cu-Cr显著相关(表2).另外,Veeken等(1999)认为,如果重金属元素之间在同一土地类型样本中存在依存关系,则说明它们的来源途径是相似的,反之,则来源途径不同.由表2可以看出,工业用地中仅有Cu-Zn达到显著相关,即在大厂区各个样点地表灰尘重金属依存关系不明显,来源途径不同.不同企业灰尘重金属积累不同,如,钢铁冶炼的工业区地表灰尘以Pb和Zn污染严重,而石油化工和电力生产企业以原料和燃料性质不同造成地表灰尘的积累又有所不同.交通用地中,Cu-Cr和Pb-Cr相互之间依存关系明显,均在0.05水平上显著相关.其他的金属元素来源途径相差较大,依存关系不明显.商业用地中Zn和Cr相关系数r2为0.983,在0.01水平上显著相关,说明商业用地地表灰尘重金属Zn和Cr来源相似,这可能受汽车尾气排放,以及含铜、铅和锌的装饰材料和管材等的影响有关.居住用地Cu,Zn和Cr依存性关系显著,其他重金属之间关系不明显.绿地中,各种重金属含量较低,但依存关系明显,除了Zn-Pb和Pb-Cr依存关系不明显外,其他的重金属均存在显著相关,其中,Cu-Zn,Cu-Pb和Zn-Cr均达到极显著相关,说明绿地中地表灰尘重金属来源途径相似,主要是来自街道及工厂等废气降尘.2.2居住用地和用地表3为城市土壤重金属在各土地类型中的平均含量及其标准差.可见,Cu在商业用地中最高(75.2mg·kg-1),其次为绿地(54.0mg·kg-1)、交通(48.5mg·kg-1)、居住用地(41.5mg·kg-1)和工业用地(35.0mg·kg-1);Zn在交通用地(2963.0mg·kg-1)、居住用地(2700.3mg·kg-1)中含量较高,在工业用地(1540.2mg·kg-1)中含量较低;Pb在居住用地中富集明显(595.4mg·kg-1),交通(528.1mg·kg-1)和绿地(532.50mg·kg-1)含量基本相同,最低的是工业用地(430.0mg·kg-1);Cr在各土地类型中相差不大,以居住用地中最高(627.4mg·kg-1),以工业用地中含量最低(524.1mg·kg-1).2.3土壤重金属含量选取Cu,Zn,Cr和Pb共4种元素用内梅罗计算式评价不同土地类型重金属污染强度,公式如下,式中P为土壤重金属综合污染指数,i为重金属种类,Ci为重金属元素的实测浓度,Si为上海市土壤重金属i的环境背景值,n为参与评价的重金属的种类总数.图2反映了不同土地类型灰尘和土壤重金属P,可以看出,灰尘重金属污染比土壤严重得多,同一土地利用类型灰尘P值为土壤的3~4倍.同南京相比,上海城市土壤P值偏高.各土地利用类型P相比:(1)地表灰尘中,P值按下列顺序递降,居住用地(67.5)>交通用地(63.9)>工业用地(50.9)>商业用地(46.2)>绿地(40.5),对P贡献最大的重金属是Pb,最小的为Cu;(2)土壤中,以交通用地(22.9)和居住用地(21.2)最高,其次为绿地(18.7)和商业用地(18.5),而工业用地(12.5)最低,对P值贡献最大的是Zn,最小的是Cu.2.4降雨重金属ec值在非点源污染源中,城市降雨径流是受纳水体水质退化的重要原因,而城市土壤与地表灰尘重金属的累积又成为降雨径流的重要的“源”.不同土地利用类型由于重金属富集程度不同,对降雨径流重金属浓度影响也存在差异.下面利用重金属平均浓度(EMC)来研究不同土地利用类型城市降雨径流重金属污染状况.公式如下,式中,Cj(mg·kg-1)表示一次降雨过程第j(j=1,2,…,n)取样时间段内径流水样中的重金属浓度;Vj(m3)表示第j时间段内的径流量;n为一次降雨过程取样次数.通过对不同土地类型路面径流的采样试验结果,运用上述EMC的计算方法,分析了不同土地类型的降雨重金属EMC值(图3).可以看出,4种重金属的浓度均以工业用地最高,其中Cr(6.9mg·L-1),Pb(500mg·L-1),Zn(3.9mg·L-1)远高于其他土地类型;其次为交通用地,Cr,Pb,Zn的浓度分别为0.9mg·L-1,260mg·L-1,2.3mg·L-1;相比之下,商业区和居民区重金属EMC值较小,绿地EMC值最低.工业区重金属浓度含量高与工业生产有很大的关系,这可能是因为工业区虽然进行了改善生产环境,但工业生产会产生大量的重金属元素,可以通过大气中的粉尘排放,这些吸附在小颗粒物上的重金属的量最多,因此在工业区内,径流中的重金属浓度含量很高.径流中交通区EMC值也很高,这主要是与交通区的机动车辆的运动紧密相关,机动车的制动器、车体、轮胎、燃料及润滑油是交通区径流中重金属Cr,Cu,Pb和Zn的主要来源,其重金属浓度要高于商业区和居民区.对比表1、表3及图3,从耦合关系来看,不同土地利用类型地表灰尘与降雨径流重金属的耦合关系明显,与土壤关系不明显.这可能是因为在降雨中,地表灰尘直接被冲刷溶解而成为地表径流的直接污染源.相比之下,城市土壤多被水泥等硬化地面所覆盖,出露较少,对地表径流的影响较小.3土地利用类型对土壤重金属含量的影响通过对上海中心城区5种主要土地利用类型地表灰尘与土壤重金属Cu,Cr,Zn和Pb积累差异及其环境效应的研究,获得如下结论:(1)土地利用方式对重金属在地表灰尘与土壤中的积累有较明显的影响.地表灰尘重金属在工业、交通和居住用地中的含量普遍偏高,而在绿地中的含量普遍较低.土壤重金属在不同土地利用方式下的含量差别较大,情况比较复杂,在交通用地中浓度普遍较高,而在工业用地中浓度普遍较低;(2)不同土地利用类型中,土壤